Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.
1Công thức và phương pháp
Động cơ một chiều
Mạch phần ứng
V = E + IaRa
Sức điện động ngược và mômen
E = k·ω, T = k·Ia
Tốc độ
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Tốc độ không tải và mômen hãm
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Các công suất
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Khởi động
Istart = V/(Ra + Rst)
Độ điều chỉnh tốc độ
SR = (n0 − nFL)/nFL
Công suất phát triển cực đại
Pmax = V²/(4Ra)
Truyền động bằng bộ băm xung
Va = D·Vdc
Phương pháp
Vẽ mạch phần ứng: nguồn V, điện trở Ra và sức điện động ngược E mắc nối tiếp.
Dùng V = E + Ia·Ra để liên hệ điện áp, dòng điện và sức điện động ngược.
Dùng E = k·ω cho tốc độ và T = k·Ia cho mômen, với ω = 2π·n/60.
Với công suất và hiệu suất, bắt đầu từ V·Ia, trừ tổn thất đồng Ia²·Ra rồi đến các tổn thất quay.
Bánh răng và hệ bánh răng
Bánh răng ăn khớp
n1·N1 = n2·N2
Mômen xoắn
T2 = T1·(N2/N1)·η
Công suất
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Hệ bánh răng ghép
tỉ số truyền tổng = tích các tỉ số truyền từng cấp
Thu thập dữ liệu và lấy mẫu
Tiêu chuẩn Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Tần số răng cưa (alias)
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Kích thước bước lượng tử
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Sai số lượng tử hóa (làm tròn)
±½ LSB
Mã ADC cắt cụt
D = ⌊Vin/LSB⌋
Số bit cho độ phân giải r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR lý tưởng, sóng sin toàn thang
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Tốc độ dữ liệu
số kênh × fs × N bit/s
ADC ghép kênh
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bit cho mỗi byte; byte/s = baud/số bit mỗi khung
Bộ chia tốc độ baud
baud = fclk/(16·D)
Phương pháp
Ghi ra những gì đã cho: tốc độ lấy mẫu, các tần số tín hiệu, số bit, dải đầu vào, tốc độ baud.
Với các câu hỏi về lấy mẫu, so sánh từng tần số với fs/2; tần số cao hơn xuất hiện tại fa = |f − k·fs| với bội số gần nhất của fs.
Với các câu hỏi về độ phân giải, tìm 1 LSB = VFSR/2ᴺ, hoặc N nhỏ nhất thỏa 2ᴺ ≥ khoảng/độ phân giải.
Với tốc độ dữ liệu và đường truyền UART, đếm mọi thứ được gửi đi: số kênh, số mẫu mỗi giây, số bit hoặc số byte nguyên mỗi mẫu, và các bit khởi đầu, chẵn lẻ và dừng của mỗi khung.
Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Điện áp bộ chia
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Lượng ra
Vab = Va − Vb
Cân bằng
R1/R2 = R3/R4
Cầu dây trượt
R/Rx = l/(100 − l)
Điện trở Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Hệ số cảm biến
ΔR/R = GF·ε
Đầu ra của cầu
một phần tư Vs·GF·ε/4, một nửa Vs·GF·ε/2, đầy đủ Vs·GF·ε
Thay đổi nhỏ, một nhánh
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Ứng suất
σ = E·ε
Phương pháp
Coi cầu như hai bộ chia áp mắc song song trên cùng một nguồn.
Để cầu cân bằng, đặt R₁/R₂ = R₃/R₄ rồi giải tìm điện trở chưa biết.
Với cầu không cân bằng, tìm Va và Vb từ các bộ chia áp rồi lấy hiệu; dùng mạch tương đương Thévenin khi đồng hồ đo làm tải đầu ra.
Với cảm biến biến dạng (strain gauge), đổi biến dạng sang ΔR/R = GF·ε rồi dùng Vs·GF·ε/4, /2 hoặc ×1 cho cầu một phần tư, nửa cầu hoặc cầu đầy đủ.
Sai số xác lập và điều khiển PID
Loại của hệ
số cực của G(s) tại s = 0
Hằng số sai số
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Bước nhảy A
ess = A/(1 + Kp)
Tín hiệu dốc A·t
ess = A/Kv
Parabol A·t²/2
ess = A/Ka
Bộ điều khiển PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Mục tiêu bậc hai
s² + 2ζωns + ωn²
Độ vượt quá và thời gian
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Phương pháp
Đếm các cực của vòng hở C(s)·G(s) tại s = 0: đó là loại của hệ.
Tính hằng số sai số khớp với đầu vào: Kp cho bước nhảy, Kv cho tín hiệu dốc, Ka cho parabol.
Áp dụng ess = A/(1 + Kp), A/Kv hay A/Ka, hoặc giải nó theo độ lợi bạn cần.
Với yêu cầu về độ cản hoặc tốc độ, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Bài tập
1.Động cơ một chiềuTrung bình
Một động cơ một chiều cung cấp 1,5 kW công suất cơ ở 2900 rpm. Tìm mômen trên trục T.
P = 1,5 kWn = 2900 rpm
T = N·m
2.Động cơ một chiềuKhó
Một động cơ một chiều kích từ độc lập (k = 1,2 V·s/rad ở từ thông đầy đủ, Ra = 1 Ω, V = 120 V) kéo tải có mômen không đổi 9,6 N·m. Từ thông kích từ được giảm còn 90 % giá trị đầy đủ. Tìm tốc độ mới n.
Một puli 125 mm ở 720 vòng/phút dẫn động một puli 250 mm bằng dây đai với độ trượt 1 %. Tìm tốc độ n2 của puli bị dẫn.
n1 = 720 rpmd1 = 125 mmd2 = 250 mms = 1 %
n2 = rpm
4.Bánh răng và hệ bánh răngKhó
Một dây đai hở nối puli dẫn 160 mm ở 1500 vòng/phút với puli 500 mm; tâm cách nhau 500 mm. Hệ số ma sát là 0,35 và lực căng nhánh căng không được vượt quá 2000 N. Tìm công suất lớn nhất P mà dây đai có thể truyền mà không trượt, theo kW (bỏ qua hiệu ứng ly tâm).
Một sóng sin 12,8 kHz được lấy mẫu ở 8 kHz mà không có bộ lọc chống răng cưa. Nó xuất hiện ở tần số fa nào trong các mẫu? Cho kết quả theo Hz.
f = 12,8 kHzfs = 8 kHz
fa = Hz
6.Thu thập dữ liệu và lấy mẫuKhó
Một vi điều khiển có xung nhịp 16 MHz đặt tốc độ baud UART là fclk/(16·D), với D là số nguyên được làm tròn đến giá trị gần nhất. Mục tiêu là 115200 baud. Tìm sai số phần trăm của tốc độ baud thực (dương khi nó quá nhanh).
fclk = 16 MHzmục tiêu = 115200 Bd
e = %
7.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình
Một điện kế có điện trở 20 Ω được nối giữa a và b của cầu hiển thị (Vs = 10 V). Tìm dòng điện kế Ig từ a đến b, theo µA.
Một load cell (một cầu đầy đủ gồm các cảm biến biến dạng) có đầu ra định mức 1 mV/V tại tải định mức 200 kg. Nó được kích thích bằng 10 V. Tìm đầu ra Vo của nó dưới tải 150 kg.
1 mV/VFrated = 200 kgVs = 10 VF = 150 kg
Vo = mV
9.Sai số xác lập và điều khiển PIDTrung bình
Một vòng phản hồi đơn vị với G(s) = K/(s(s + 5)) phải bám theo tín hiệu dốc r(t) = 10t với sai số xác lập 0,1. Tìm độ lợi K.
G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 10tess = 0,1
K =
10.Sai số xác lập và điều khiển PIDKhó
Một bộ điều khiển PI C(s) = 2 + 1/s điều khiển đối tượng G(s) = 4/((s + 4)(s + 5)) trong một vòng phản hồi đơn vị. Tìm sai số xác lập ess cho đầu vào tín hiệu dốc r(t) = 5t.
C(s) = 2 + 1/sG(s) = 4/((s + 4)(s + 5))r(t) = 5t
ess =
11.Đáp ứng bướcTrung bình
Một hệ có hàm truyền G(s) = 10/(s² + 2s + 10) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Các cực là s = σ ± jωd. Tìm phần thực σ.
G(s) = 10/(s² + 2s + 10)
σ =
12.Đáp ứng bướcKhó
Một vòng hồi tiếp âm đơn vị có G(s) = K/(s(s + 4)). Tìm độ lợi K để đáp ứng bước có độ vọt lố 2 %.
G(s) = K/(s(s + 4))%OS = 2 %
K =
3Dung dịch
1.Động cơ một chiều
Đáp số: T = 4,939 N·m
Động cơ một chiều: phần ứng là một điện trở Ra mắc nối tiếp với sức điện động ngược E, nên V = E + Ia·Ra. Sức điện động ngược tăng theo tốc độ, E = k·ω, và mômen tăng theo dòng điện, T = k·Ia, với cùng hằng số động cơ k (V·s/rad = N·m/A) trong hệ SI. Đổi tốc độ bằng ω = 2π·n/60. Công suất phát triển là E·Ia = T·ω; công suất vào là V·Ia, và tổn thất đồng Ia²Ra cùng tổn thất quay tạo nên chênh lệch. Tốc độ giảm theo đường thẳng với mômen, ω = V/k − Ra·T/k², từ tốc độ không tải V/k đến không tại mômen hãm k·V/Ra. Khi đứng yên E = 0, nên dòng khởi động V/Ra lớn trừ khi có điện trở hạn chế nó.
Tốc độ theo rad/s
ω = 2π·2900/60 = 303,7 rad/s
Mômen xoắn
T = P/ω = 1500/303,7 = 4,939 N·m
Đáp số
T = 4,939 N·m
2.Động cơ một chiều
Đáp số: n = 982,4 rpm
Động cơ một chiều: phần ứng là một điện trở Ra mắc nối tiếp với sức điện động ngược E, nên V = E + Ia·Ra. Sức điện động ngược tăng theo tốc độ, E = k·ω, và mômen tăng theo dòng điện, T = k·Ia, với cùng hằng số động cơ k (V·s/rad = N·m/A) trong hệ SI. Đổi tốc độ bằng ω = 2π·n/60. Công suất phát triển là E·Ia = T·ω; công suất vào là V·Ia, và tổn thất đồng Ia²Ra cùng tổn thất quay tạo nên chênh lệch. Tốc độ giảm theo đường thẳng với mômen, ω = V/k − Ra·T/k², từ tốc độ không tải V/k đến không tại mômen hãm k·V/Ra. Khi đứng yên E = 0, nên dòng khởi động V/Ra lớn trừ khi có điện trở hạn chế nó.
Làm yếu từ trường là cách một bộ truyền động một chiều chạy trên tốc độ cơ sở.
3.Bánh răng và hệ bánh răng
Đáp số: n2 = 356,4 rpm
Truyền động đai: khi không trượt, cả hai puli có cùng tốc độ mép v = π·d·n/60, nên n₁·d₁ = n₂·d₂ và tỉ số tốc độ là d₂/d₁. Độ trượt s làm puli bị dẫn chậm hơn một chút: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Công suất truyền là P = (T₁ − T₂)·v, với T₁ là lực căng ở nhánh căng và T₂ ở nhánh chùng. Ma sát giới hạn tỉ số các lực căng: T₁/T₂ = eμθ, trong đó θ là góc ôm tính theo radian trên puli nhỏ hơn; với đai hở θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) với khoảng cách tâm C.
Tốc độ khi không trượt
720·125/250 = 360 rpm
Khi có trượt
n2 = 360·0,99 = 356,4 rpm
Đáp số
n2 = 356,4 rpm
4.Bánh răng và hệ bánh răng
Đáp số: P = 14,46 kW
Truyền động đai: khi không trượt, cả hai puli có cùng tốc độ mép v = π·d·n/60, nên n₁·d₁ = n₂·d₂ và tỉ số tốc độ là d₂/d₁. Độ trượt s làm puli bị dẫn chậm hơn một chút: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Công suất truyền là P = (T₁ − T₂)·v, với T₁ là lực căng ở nhánh căng và T₂ ở nhánh chùng. Ma sát giới hạn tỉ số các lực căng: T₁/T₂ = eμθ, trong đó θ là góc ôm tính theo radian trên puli nhỏ hơn; với đai hở θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) với khoảng cách tâm C.
Góc ôm
θ = 2,448 rad
Lực căng nhánh chùng
eμθ = e0,8567 = 2,355, T₂ = 2000/2,355 = 849,1 N
Công suất
P = (2000 − 849,1)·12,57 = 14,46 kW
Đáp số
P = 14,46 kW
5.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu
Đáp số: fa = 3200 Hz
Lấy mẫu: một ADC đo tín hiệu fs lần mỗi giây. Theo định lý Nyquist–Shannon, một tần số f chỉ được thu đúng khi f < fs/2, tức tần số Nyquist (tần số gập), nên tốc độ lấy mẫu phải vượt quá hai lần tần số tín hiệu cao nhất. Một tần số cao hơn không bị mất: nó xuất hiện dưới dạng tần số răng cưa tại fa = |f − k·fs|, với số nguyên k đưa kết quả vào khoảng từ 0 đến fs/2. Các mẫu không thể phân biệt hai tần số đó, nên một bộ lọc chống răng cưa tương tự phải loại bỏ mọi thứ trên fs/2 trước ADC.
Tần số Nyquist
fs/2 = 4 kHz < f = 12,8 kHz
Bội số gần nhất của tốc độ lấy mẫu
k = round(12800/8000) = 2
Tần số răng cưa (alias)
fa = |12800 − 2·8000| = 3200 Hz
Đáp số
fa = 3200 Hz
Đường nét đứt trong hình là tần số răng cưa: nó đi qua đúng các mẫu giống nhau.
6.Thu thập dữ liệu và lấy mẫu
Đáp số: e = −3,549 %
UART: một đường truyền nối tiếp không đồng bộ gửi mỗi byte thành một khung: một bit khởi đầu (mức thấp), các bit dữ liệu, một bit chẵn lẻ tùy chọn và một hoặc hai bit dừng (mức cao). Tốc độ baud là số bit mỗi giây, nên một bit kéo dài Tb = 1/baud và một khung n bit kéo dài n/baud. Định dạng 8N1 phổ biến có 10 bit cho mỗi byte. Bộ tạo baud chia tần số xung nhịp: baud = fclk/(16·D) với D là số nguyên, nên tốc độ baud thực khác mục tiêu đôi chút; sai số dưới khoảng 2 % thường chấp nhận được.
Bộ chia
D = 16·10⁶/(16·115200) = 8,681 → 9
Tốc độ baud thực
16·10⁶/(16·9) = 111111 Bd
Sai số
(111111 − 115200)/115200·100 = −3,549 %
Đáp số
e = −3,549 %
Sai số trên khoảng 2 % làm đường truyền không đáng tin cậy: hãy chọn xung nhịp hoặc tốc độ baud khác.
7.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: Ig = 58621 µA
Cầu Wheatstone: hai bộ chia áp dùng chung một nguồn Vs. Bộ chia bên trái R1–R2 cho Va = Vs·R2/(R1 + R2) và bộ chia bên phải R3–R4 cho Vb = Vs·R4/(R3 + R4); đầu ra là Vab = Va − Vb. Cầu cân bằng (Vab = 0, không có dòng qua đồng hồ) khi R1/R2 = R3/R4, tức R1·R4 = R2·R3. Nhìn từ đầu ra, cầu là một nguồn Thévenin với Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Điện áp Thévenin
Vth = 10·(120/130 − 100/250) = 5,231 V
Điện trở Thévenin
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 69,23 Ω
Dòng điện kế
Ig = 5,231/(69,23 + 20) = 58621 µA
Đáp số
Ig = 58621 µA
8.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: Vo = 7,5 mV
Cảm biến biến dạng (strain gauge): một cảm biến thay đổi điện trở theo biến dạng: ΔR/R = GF·ε, trong đó hệ số cảm biến GF khoảng 2 với lá kim loại. Trong cầu có mọi nhánh bằng R, một cảm biến hoạt động (cầu một phần tư) cho Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Hai cảm biến hoạt động có biến dạng ngược chiều ở các nhánh kề nhau (nửa cầu) cho Vs·GF·ε/2, và bốn cảm biến (cầu đầy đủ) cho Vs·GF·ε. Ứng suất suy ra từ định luật Hooke, σ = E·ε. Các cảm biến lực (load cell) nêu độ nhạy theo mV/V: đầu ra ở đầy tải trên mỗi vôn kích thích.
Đầu ra toàn thang đo
1·10 = 10 mV
Đầu ra ở tải này
Vo = 10·150/200 = 7,5 mV
Đáp số
Vo = 7,5 mV
9.Sai số xác lập và điều khiển PID
Đáp số: K = 500
Sai số xác lập: trong một vòng phản hồi đơn vị với hàm truyền vòng hở G(s), sai số là E(s) = R(s)/(1 + G(s)), và theo định lý giá trị cuối ess = lims→0 s·E(s). Loại của hệ là số cực của G(s) tại s = 0. Các hằng số sai số là Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) và Ka = lim s²·G(s), đều với s → 0. Một bước nhảy có độ lớn A cho ess = A/(1 + Kp), một tín hiệu dốc A·t cho A/Kv và một parabol A·t²/2 cho A/Ka. Một vòng loại 0 bám theo bước nhảy với sai số hữu hạn, một vòng loại 1 bám theo nó chính xác và bám theo tín hiệu dốc với sai số hữu hạn.
Hằng số vận tốc yêu cầu
Kv = A/ess = 10/0,1 = 100
Độ khuếch đại
K = 5·Kv = 500
Đáp số
K = 500
Một độ lợi lớn làm vòng này cản rất yếu: ζ = 0,1118. Mâu thuẫn đó là lý do dùng các bộ bù.
10.Sai số xác lập và điều khiển PID
Đáp số: ess = 25
Điều khiển P, PI và PID: bộ điều khiển C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s tác động lên sai số. Một độ lợi tỉ lệ làm vòng nhanh hơn và giảm sai số của đối tượng loại 0, nhưng không bao giờ loại bỏ nó. Thành phần tích phân thêm một cực tại s = 0: loại của hệ tăng thêm một, và một bước nhảy được bám theo không có sai số. Thành phần vi phân thêm sự cản. Để chọn các độ lợi, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζωns + ωn². Khi đó %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd với ωd = ωn√(1 − ζ²), và ts ≈ 4/(ζωn).
Hằng số vận tốc
s·C(s) = 2s + 1 → 1 khi s → 0.
Kv = 1·4/20 = 0,2
Sai số tín hiệu dốc
ess = 5/0,2 = 25
Đáp số
ess = 25
Bộ điều khiển PI loại bỏ hoàn toàn sai số bước nhảy; một tín hiệu dốc được bám theo với độ trễ không đổi.
11.Đáp ứng bước
Đáp số: σ = −1
Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).
So sánh với dạng chuẩn
Mẫu số phải khớp với s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 10 → ωₙ = 3,162 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·3,162) = 0,3162
Kết quả
σ = −ζωₙ = −2/2 = −1
Đáp số
σ = −1
12.Đáp ứng bước
Đáp số: K = 6,58
Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).